采用天然有机酸对Cr(Ⅵ)污染土壤化学淋洗-还原稳定化修复试验研究

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我国铬盐生产和制革等行业向环境中排放了大量的含Cr(Ⅵ)污染物,形成了多个Cr(Ⅵ)污染较为严重的工业污染场地,土壤中高浓度的Cr(Ⅵ)对周边的生态环境存在极大威胁,亟需开展修复。污染土壤中铬的赋存形态多元,传统的淋洗技术对土壤理化性质破坏作用大,还原稳定化技术存在对Cr(Ⅵ)还原效果不彻底等不足,综合两者优势的修复技术有待进一步发展;具有良好生物降解性的天然有机酸可同时通过淋洗或还原过程去除土壤中的污染物。然而,低浓度的天然有机酸对污染物的淋洗效果不够理想,需要与其他淋洗剂复配使用;过渡金属离子如Fe2+、Fe3+等可以催化天然有机酸还原Cr(Ⅵ),但是,其在与天然有机酸复合淋洗修复铬污染土壤方面的研究仍不够深入。本文以柠檬酸作为典型天然有机酸,考察了缓释铁源对其促进柠檬酸还原水溶液中Cr(Ⅵ)的动力学、影响因素和机理;选择3种常见的天然有机酸与Fe SO4复配,开展Cr(Ⅵ)污染土壤化学淋洗-还原稳定化修复批试验研究,与其他常用的淋洗剂对比淋洗效果,筛选出淋洗效率最高的复合淋洗剂和对总铬的强稳定剂,分别优化两者的淋洗参数,得出修复效果最佳的复配淋洗方案;并对淋洗前后污染土壤的表面特性和铬的赋存形态转化进行解析,探究了基于天然有机酸应用的Cr(Ⅵ)污染土壤化学淋洗-还原稳定化性能,揭示了从土壤中去除Cr(Ⅵ)的机理。主要研究结论如下:(1)陶粒作为缓释铁源,可促进柠檬酸对Cr(Ⅵ)的还原过程。柠檬酸对水溶液中Cr(Ⅵ)的还原速率十分缓慢,p H=2.6时,加入陶粒可使柠檬酸还原Cr(Ⅵ)的表观速率常数从16.35增大至44.85 mg·L-1·d-1。p H的升高会显著降低陶粒对柠檬酸还原Cr(Ⅵ)的催化能力,光照则有利于其催化柠檬酸还原Cr(Ⅵ)。从陶粒溶解释放的可溶性Fe(III)被认为是柠檬酸还原Cr(Ⅵ)的催化剂。光照条件下,可溶性Fe(III)先与柠檬酸生成络合物,之后受光激发产生Fe(II)-柠檬酸络合物和有机自由基促进Cr(Ⅵ)的还原。避光条件下,Fe(III)-柠檬酸则会进一步与Cr(Ⅵ)络合生成环状络合物,以此实现Cr(Ⅵ)的快速还原。(2)对比Cr(Ⅵ)污染土壤淋洗修复效果,提出了修复方法。当液固比为10∶1,对Cr(Ⅵ)含量为310.2 mg/kg的污染土壤,0.1 mol/L苹果酸、柠檬酸和酒石酸淋洗12 h后,Cr(Ⅵ)去除率分别为55.5%、66.1%、70.6%,与0.01 mol/L Fe SO4复合淋洗后,Cr(Ⅵ)去除率分别增长了14.4%、7.8%和15.6%,酒石酸+Fe SO4淋洗效率最高;0.1 mol/L Na H2PO4淋洗对土壤总铬的稳定效果最好,并且不显著影响土壤理化性质。淋洗剂p H和酒石酸浓度对复合淋洗剂去除土壤Cr(Ⅵ)具有显著影响。酒石酸+Fe SO4在浓度分别为0.1和0.01 mol/L、p H为1.65、液固比为10∶1时,淋洗2 h后,土壤Cr(Ⅵ)去除率最高,为89.5%;Na H2PO4的最佳淋洗条件为淋洗时间12 h、浓度为0.1mol/L且液固比为10∶1。Na H2PO4淋洗后直接加入酒石酸和Fe SO4的复配淋洗方式对污染土壤的Cr(Ⅵ)去除率最高,为93.18%,并且淋洗后土壤的Cr(Ⅵ)、总铬浸出浓度分别为0、0.39 mg/L,远低于《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB 16889—2008)(1.5、4.5 mg/L)的浓度限值。(3)采用Na H2PO4和酒石酸+Fe SO4对Cr(Ⅵ)污染土壤复配淋洗的机理包括以下过程:Na H2PO4通过离子交换作用洗出土壤表面一部分Cr(Ⅵ),酒石酸通过酸溶、络合等作用释放土壤颗粒内部结合的Cr(Ⅵ)并络合部分Cr(III),淋出液中的Cr(Ⅵ)被Fe SO4及Fe(III)催化的酒石酸还原为Cr(III),土壤中的Cr经Na H2PO4、Fe(II)和Fe(III)的共同作用由可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态向更为稳定的有机质结合态和残渣态转变,降低了重金属Cr的生物有效性。
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